Турбонаддув: что это такое, зачем нужен, как устроен и как работает турбонагнетатель — Autodromo

Турбонаддув представляет собой разновидность наддува, позволяющий подавать воздух в цилиндры ДВС под высоким давлением, которое обеспечивается высвобождаемой от сгорания топлива энергией выхлопных газов.

За счет турбонаддува повышается рабочая мощность двигателя, при этом не увеличивается внутренние объемы цилиндров двигателя и количество оборотов, совершаемых коленвалом. Кроме всего прочего турбонаддув позволяет снизить прожорливость двигателя, а также уменьшить токсичность газов благодаря более эффективному сгоранию топливовоздушной смеси.

Турбонаддув довольно широко используется на ДВС, работающих как на бензине так и на дизтопливе. При этом использование системы турбонаддува на дизелях считается более выгодным благодаря высокому показателю сжатия ДВС и малой частоте оборотов коленвала.

В бензиновых двигателях высока вероятность возникновения детонирующего эффекта вследствие значительного увеличения количества оборотов двигателя и высокого температурного режима газов при сгорании топлива (до 1000 °C, у дизеля лишь 600 °C).

Содержание

Устройство системы турбонаддува

Система турбонаддува состоит из следующих элементов:

• воздушный заборник и фильтр;
• дроссельная заслонка;
• турбинный компрессор;
• интеркулер;
• коллектор впускной;
• соединительные патрубки;
• напорные шланги

Турбинный компрессор (нагнетатель)

Основной элемент устройства турбонаддува, который предназначен для увеличения рабочего давления воздушной массы в системе впуска. Турбокомпрессор состоит из турбинного и компрессорного колес, которые установлены на роторном валу. Все элементы турбокомпрессора находятся в специальных защитных корпусах.

Турбинное колесо используется для переработки энергии, выделяемой отработанными газами. Колесо и его корпус изготавливаются из высокопрочных и жароустойчивых материалов – стальных и керамических сплавов.

Компрессорное кольцо применяется для всасывания воздушной массы, с дальнейшим ее сжатием и нагнетанием в цилиндры ДВС.

Кольца турбокомпрессора установлены на роторном валу, который совершает вращательные движения в плавающих подшипниках. Для более эффективной работы подшипники постоянно смазываются маслом, которое поступает по канальцам, расположенным в подшипниковом корпусе.

Интеркулер

Интеркулер – воздушный или жидкостной радиатор, который применяется для своевременного охлаждения предварительно сжатого воздуха, вследствие чего происходит увеличивается давление и плотность воздушного потока.

Регулятор давления наддува

Ключевым элементом управления турбонаддувом является регулятор давления наддува, который по сути своей является перепускным клапаном. Основным назначением клапана является сдерживание и перенаправление части вырабатываемых газов в обход турбинного колеса для снижения давления наддува. 

Перепускной клапан может быть оснащен приводом электрического или пневматического типа. Активация клапана происходит вследствие приема сигналов от датчика давления.

Предохранительный клапан

Клапан предохранительный используется для предотвращения скачков давления воздушной массы, которое часто возникает при быстром закрытии дроссельной заслонки. Избыточное давление либо стравливается в атмосферу, либо переподается на вход компрессора.

Принцип действия турбонаддува

Система турбонаддува использует энергию газов, которые образуются при сгорании топлива. Газы обеспечивают вращательные движения колеса турбинного типа, которое в свою очередь запускает компрессорное колесо, отвечающее за сжатие и нагнетание воздушной массы в систему. Далее происходит охлаждение воздуха при помощи интеркулера и подача его в цилиндры.

Очевидно, что хотя турбонаддув механически никак не связан с коленвалом двигателя, однако его работа и ее эффективность находится в прямой зависимости от скорости вращения коленчатого вала. Чем выше обороты двигателя, тем эффективнее работает турбонаддув.

Несмотря на свою практичность и эффективность, система турбонаддува имеет некоторые недостатки. Ключевым из них является появление турбоям – задержка в увеличении мощности ДВС.

Подобное явление проявляется вследствие инерционности системы – задержки в увеличении давления наддува при достаточно резком нажатии на газ, что может привести к разрыву между требуемой мощностью двигателя и производительностью турбины.

Для устранения эффекта турбоямы используются три основных метода:

• Использование системы с двумя (и более) турбокомпрессорами. Турбины могут устанавливаться параллельно – это допускается на двигателях V-образного типа. При этом каждая турбина устанавливается на свой ряд цилиндров. Идея данного метода в том, что две турбины меньшего размера обладают более низкой инерционностью, чем одна большая турбина. Турбины так же могут устанавливаться и последовательно, причем их может быть от двух до четырех (Bugatti). Увеличение производительности и максимальная эффективность турбонаддува в этом случае достигаются за счет того, что при разных оборотах двигателя используется свой турбокомпрессор.
• Использование турбины с изменяемой геометрией. Подобный метод обеспечивает более рациональное использование энергии отработанных газов за счет изменения площади сечения входного канала турбины. Данный метод весьма часто используется на дизельных двигателях, например всем известная система TDI от Volkswagen.
• Использование комбинированного типа турбонаддува. Данный метод позволяет применять симбиоз двух систем – механического и турбинного наддува. Механический наддув эффективен на малых оборотах коленвала, при которых сжатие воздуха обеспечивается нагнетателем механического типа. Турбонаддув применяется при высоких оборотах коленвала, где функцию нагнетания воздуха берет на себя турбинный компрессор. Наиболее распространенной системой комбинированного наддува является наддув двигателя TSI от Volkswagen.

Двигатель автомобиля с турбонаддувом — плюсы и минусы, принцип работы

Турбонаддув — эффективная система повышения мощности двигателя. Рассмотрим двигатели автомобиля с турбонаддувом — все их плюсы и минусы. Какие бывают проблемы при эксплуатации турбодвигателей.

Из чего состоит

Особенностью двигателя с турбонаддувом является наличие: турбокомпрессора, интеркулера, регулятора давления наддува, предохранительного клапана и других элементов. Турбокомпрессор — основной элемент турбонаддува и обеспечивает повышение давления воздуха во впускной системе.

Интеркулер предназначен для охлаждения сжатого воздуха. За счет охлаждения воздуха повышается его плотность и увеличивается давление. Интеркулер это радиатор воздушного или жидкостного типа.

Основным элементом управления системы турбонаддува является регулятор давления наддува — перепускной клапан. Он ограничивает энергию отработавших газов, направляя часть в обход турбинного колеса, обеспечивая оптимальное давление наддува. Клапан имеет пневматический или электрический привод. Срабатывание перепускного клапана производится на основании сигналов датчика давления наддува.

Также устанавливается предохранительный клапан. Он защищает от скачка давления воздуха, который может произойти при резком закрытии дроссельной заслонки. Избыточное давление может стравливаться в атмосферу с помощью блуофф-клапана или перепускаться на вход компрессора с помощью байпас-клапана.

Турбонаддув двигателя не имеет жесткой связи с коленвалом и эффективность работы системы зависит от числа оборотов. Чем выше обороты мотора, тем больше отработавших газов, быстрее вращается турбина, больше сжатого воздуха поступает в цилиндры двигателя.

Какие бывают

Система с двумя параллельными турбокомпрессорами применяется на мощных V-образных двигателях. Принцип работы основан на том, что две маленькие турбины обладают меньшей инерцией, чем одна большая. При установке на двигатель двух последовательных турбин максимальная производительность достигается за счет использования разных турбокомпрессоров на разных оборотах двигателя.

Некоторые производители устанавливают три последовательных турбокомпрессора — triple-turbo и даже четыре — quad-turbo.

Комбинированный наддув автомобиля объединяет механический и турбонаддув. На низких оборотах сжатие воздуха обеспечивает механический нагнетатель. С ростом оборотов подхватывает турбокомпрессор, а механический нагнетатель отключается.

Плюсы и минусы турбо двигателей

Плюсы

В отличие от механических нагнетателей, приводимых от коленчатого вала и отнимающих мощность непосредственно у двигателя, турбонагнетатели используют дармовую энергию, которая в моторе выбрасывается из выхлопной трубы. Это делает турбонагнетатели более эффективными, чем механические.

Одновременно турбонаддув позволяет получить высокие мощности – свыше 250 л.с. с одного литра объема. Двигатель с турбонагнетателем имеет мощность на 40% выше, чем без него. Как ни странно, но они и более экономичны. Низкое КПД двигателя обусловливается потерями на трение и низкой тепловой эффективностью. С увеличением размеров мотора эти потери резко увеличиваются.

Небольшие турбированные моторы более эффективны.

Минусы

Турбонагнетатели обладают рядом проблемных мест. Самое заметное – эффект «турбоямы». Отсутствие механической связи между компрессором и двигателем приводит к несоответствию между требуемой мощностью, задаваемой водителем педалью «газа» и производительностью компрессора.

Недостатком турбокомпрессоров считается невысокая эффективность работы на малых оборотах двигателя. Но есть решения. Установка двух и более турбин, работающих параллельно (системы bi-turbo) или с переменной геометрией, позволяют повысить отдачу системы.

Турбокомпрессоры имеют те же недостатки, что и центробежные нагнетатели. Для эффективной работы они должны вращаться с очень высокой скоростью. Плюс высокий нагрев (порядка 1000°С), сложности в смазке, отводе тепла. Повышенные температуры сказываются не только на смазке деталей турбонагнетателя, но и на нагнетаемом воздухе: его охлаждение оказывается острым вопросом. Для эффективного охлаждения интеркулер рассчитывается и подбирается с особой тщательностью.

Как и в любом нагнетательном устройстве, в турбонагнетателе необходим клапан, спускающий излишнее давление. С турбиной еще сложнее. Здесь нужно не только следить за давлением наддува, но и перепускать выхлопные газы, чтобы снизить избыток давления в выпускном коллекторе, и исключить чрезмерно высокую скорость вращения на высоких оборотах.

Какие бывают проблемы у турбодвигателей при эксплуатации:

• Неэффективная система смазки, что приводит к масляному голоданию двигателя.
• Масложор (до 1 литра на тысячу километров пробега).
• Высокая термонагруженность, что приводит к ускореной деградации пластиковых и резиновых изделий.
• Низкий ресурс цепного привода ГРМ — цепь может растягивать раньше срока.
• Появление нагара на клапанах и форсунках
• Отложения в цилиндрах и масляных каналах.
• Чувствительность к октановому числу топлива — в некоторые авто даже АИ-95 запрещён.
• Особое внимание к качеству топлива.

Стоимость ремонта и восстановления не дешевы для многих автолюбителей, что может оказаться серьезным недостатком. Особенно если покупаете б/у машину и не знаете, как долго прослужит турбина. Лучше отказаться от покупки авто, которая выпускалась примерно с 2008 по 2011 год. Тогда на многие машины ставили проблемные бензиновые турбомоторы, которые спустя годы удалось удачно модернизировать.

Пробег 200-250 000 километров вполне реален для современных дизельных или бензиновых турбомоторов. Но все они любят хороший уход: своевременную (раньше срока) замену масла в двигателе, регулярную чистку форсунок, а также внимание к подозрительным звукам в приводе ГРМ. И главное — промывку радиаторов, то что атмосферным моторам нечасто требуется. И не заливать некачественный бензин.

Что такое турбокомпрессор? | Capital One Auto Navigator

Этот воздушный насос, похожий на улитку, помогает маленьким двигателям развивать большую мощность.

Автор: Дэвид Глюкман 15 марта 2022 г. 19

В течение десятилетий автопроизводители стремились сделать небольшие двигатели более мощными, привязывая к ним турбонагнетатели. Эти устройства в форме фена, также сравниваемые с улитками и иногда называемые ими из-за их сходства с панцирями существ, накачивают больше воздуха в двигатель и, как следствие, создают большую мощность. По данным EPA, они были установлены почти у 35 процентов автомобилей 2020 модельного года, и это число растет. Здесь мы обсудим основы того, как работают турбокомпрессоры и что они делают.

Что такое турбокомпрессор и для чего он нужен?

Турбокомпрессоры сжимают воздух, поступающий в двигатель — процесс, известный как принудительная индукция. Двигатель внутреннего сгорания выполняет свою работу, втягивая воздух и топливо в свои цилиндры, сжимая смесь поршнями и воспламеняя ее. Возникающие в результате взрывы толкают поршни вниз, которые вращают коленчатый вал, приводя в движение автомобиль. Количество энергии, которую может производить двигатель, зависит от количества топлива, которое он может сжечь, но для увеличения количества топлива вам также нужно больше воздуха. Вот тут-то и появляются турбокомпрессоры, нагнетающие в двигатель больше воздуха, чем он мог бы всосать сам по себе.

Турбокомпрессоры обеспечивают такой прирост мощности, что автопроизводители могут уменьшать размеры двигателей, уменьшая рабочий объем и, во многих случаях, количество цилиндров, сохраняя при этом ту же мощность. Таким образом, четырехцилиндровый двигатель с турбонаддувом может заменить безнаддувный V6, а шестицилиндровый двигатель с наддувом может обеспечить мощность уровня V8. Двигатели без турбокомпрессора часто называют двигателями без наддува, когда необходимо различие.

Chevrolet

Как работает турбонагнетатель?

Обычный турбокомпрессор состоит из двух веерообразных колес внутри корпусов, похожих на раковины улиток и соединенных валом. Двигатель направляет выхлопные газы на одно из этих колес, известное как турбина, которое, в свою очередь, вращает другое колесо, называемое компрессором. Компрессор втягивает и нагнетает свежий всасываемый воздух, который нагнетается в цилиндры двигателя. По мере того, как двигатель работает и давление выхлопных газов увеличивается, турбина вращается все быстрее и быстрее, еще больше сжимая всасываемый воздух.

На снимке выше изображен базовый четырехцилиндровый двигатель с турбонаддувом автомобиля Chevrolet Silverado. Верно, базового V6 больше нет, и его место занимает четырехцилиндровый турбодвигатель, предлагающий больше лошадиных сил и лучшую экономию топлива, чем V6, который он заменил.

Автопроизводители и поставщики автомобилей экспериментируют с электрическими турбонагнетателями или электронными турбинами. Эти турбины добавляют электродвигатель на тот же вал, что и турбина и компрессор, чтобы улавливать энергию или вращать компрессор быстрее, чем это могут выхлопные газы. Audi говорит, что некоторые из ее высокопроизводительных автомобилей используют электрические турбонагнетатели, но на самом деле это электрические нагнетатели по определению, поскольку они питаются исключительно от электродвигателя, а не от выхлопных газов.

Улучшают ли турбонагнетатели экономию топлива?

Хотя это может показаться нелогичным, оснащение двигателя устройством, предназначенным для подачи большего количества воздуха и топлива в цилиндры, может сделать его более эффективным. Это сводится к природе турбонагнетателя по требованию: турбонагнетатель срабатывает только тогда, когда ваша правая нога делает большой запрос на педаль акселератора. В других сценариях двигатель обходит турбонаддув и работает так, как будто его нет. Именно тогда он наиболее эффективен. Таким образом, хотя двигатель с турбонаддувом может быть более эффективным, чем безнаддувный двигатель аналогичной мощности, экономия топлива в конечном итоге зависит от того, кто и как едет.

Subaru Legacy является прекрасным примером, особенно если посмотреть на изменения модельного года 2019/2020. В том же году Subaru обновила Legacy, отказавшись от 3,6-литрового V6 от модели 2019 года в пользу четырехцилиндрового двигателя с турбонаддувом. Двигатель V6 выдавал 256 л. с., а по оценке EPA расход топлива составлял примерно 23 мили на галлон. 2,4-литровый четырехцилиндровый двигатель с турбонаддувом, который заменил его, был не только меньше по рабочему объему и физическим размерам, но и по рейтингу Агентства по охране окружающей среды (EPA) расходовал 27 миль на галлон, а его мощность составляла 260 л.с.

Однако показатели экономии топлива не раскрывают всей картины. Здесь применима старая поговорка о том, что ваш пробег может варьироваться. Режим испытаний Агентства по охране окружающей среды предусматривает ограниченное резкое ускорение, а это означает, что турбонаддув редко нагнетает в двигатель лишний воздух. Из-за этого автомобили с двигателями с турбонаддувом, как правило, не соответствуют своим рейтингам EPA в реальном мире с большей разницей, чем автомобили с двигателями без наддува.

Есть ли недостатки у турбонаддува?

В дополнение к их потенциальной экономии топлива, двигатели с турбонаддувом более сложны, чем двигатели без наддува, что делает их более дорогими в покупке и ремонте. Двигателю требуется время, чтобы произвести достаточно выхлопных газов для вращения компрессора, поэтому двигатели с турбонаддувом не сразу выдают всю свою мощность и могут чувствовать себя вялыми при движении — концепция, называемая турболагом. (E-turbo позволяет избежать этой проблемы.)

TAGSтурбокомпрессортурбофорсированный индукционный

Этот сайт предназначен только для образовательных целей. Перечисленные третьи стороны не связаны с Capital One и несут единоличную ответственность за свое мнение, продукты и услуги. Capital One не предоставляет, не поддерживает и не гарантирует какие-либо сторонние продукты, услуги, информацию или рекомендации, перечисленные выше. Информация, представленная в этой статье, считается точной на момент публикации, но может быть изменена. Показанные изображения предназначены только для иллюстрации и могут не соответствовать продукту. Материалы, представленные на этом сайте, не предназначены для предоставления юридических, инвестиционных или финансовых рекомендаций или указания на доступность или пригодность какого-либо продукта или услуги Capital One для ваших уникальных обстоятельств. Для получения конкретных советов о ваших уникальных обстоятельствах вы можете проконсультироваться с квалифицированным специалистом.

Дэвид Глюкман

Дэвид Глюкман имеет более чем десятилетний опыт работы писателем и редактором печатных и цифровых автомобильных изданий. Он может параллельно парковать школьный автобус, у него есть электронная таблица со списком всех транспортных средств, которые он когда-либо тестировал, и однажды он проехал на Lincoln Town Car со скоростью 63 мили в час задним ходом. Когда Дэвид не ищет идеальную подержанную машину, вы можете обнаружить, что он пробует новейшие бесполезные продукты питания, которые может предложить Америка.

Как работает турбокомпрессор?

Проще говоря, турбокомпрессор — это своего рода воздушный насос, который забирает воздух при атмосферном давлении, сжимает его до более высокого давления и подает сжатый воздух в двигатель через впускные клапаны. Для автомобилей и фургонов, как правило, турбонаддув чаще использовался на дизельных двигателях как способ повышения производительности, но, чтобы соответствовать постоянно ужесточающемуся контролю за выбросами, в настоящее время наблюдается переход к турбонаддуву серийных бензиновых двигателей.

 

Поскольку все двигатели зависят от воздуха и топлива, мы знаем, что увеличение содержания этих элементов в установленных пределах увеличивает мощность двигателя, но если мы увеличим количество топлива, мы должны быть в состоянии сжечь его полностью, иначе смесь станет слишком богат, что может иметь различные проблемы. Точно так же слишком много воздуха считается слишком бедным и может быть весьма разрушительным.

Для удовлетворения наших потребностей в энергии требуется воздух; добавление большего количества воздуха представляет гораздо больше проблем, чем добавление большего количества топлива. Воздух все время находится вокруг нас и находится под давлением (на уровне моря это давление составляет около 15 фунтов на квадратный дюйм), и именно это в сочетании с тактом впуска двигателя нагнетает воздух в цилиндры. Для дальнейшего увеличения воздушного потока устанавливается воздушный насос (турбокомпрессор), и в двигатель подается сжатый воздух. Этот воздух смешивается с впрыскиваемым топливом, позволяя топливу сгорать более эффективно, что увеличивает выходную мощность двигателя.

Другая сторона турбонаддува, которая может представлять интерес, — это двигатель, который регулярно работает на больших высотах, где воздух менее плотный и где турбонаддув может восстановить часть мощности, потерянной из-за падения давления воздуха. Мощность двигателя на высоте 8000 футов составляет всего 75% от его мощности на уровне моря.

 

Захват

Вместо выхода через выхлопную трубу горячие газы, образующиеся при сгорании, поступают в турбонагнетатель. Цилиндры внутри двигателя внутреннего сгорания срабатывают последовательно (не все сразу), поэтому выхлоп выходит из камеры сгорания нерегулярными импульсами. Обычные турбокомпрессоры с одной спиралью направляют эти нерегулярные импульсы выхлопных газов в турбину таким образом, что они сталкиваются и мешают друг другу, уменьшая силу потока. Напротив, турбокомпрессор с двойной спиралью собирает выхлопные газы от пар цилиндров в чередующейся последовательности.

 

Вращение

Выхлоп ударяет в лопатки турбины, раскручивая их до 150 000 об/мин.